膠體量子點(diǎn)由于其尺寸可控，能帶可調(diào)，溶液法制備簡(jiǎn)便以及高分散性等優(yōu)點(diǎn)，在低成本、大面積、空氣穩(wěn)定的光伏器件應(yīng)用中頗具前景。近年來，表面鈍化以及器件結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的優(yōu)化，使得量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的認(rèn)證效率達(dá)到10.6%。器件穩(wěn)定性也不斷提升，可在空氣中保存150天而不發(fā)生PCE降低。
圖1. 溶劑極性工程化的鹵化物鈍化實(shí)現(xiàn)10.6% PCE
目前存在的一個(gè)主要問題在于：膠體量子點(diǎn)固體中存在的不均勻能級(jí)相圖，擴(kuò)寬了能帶邊界的電子態(tài)分布，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生能帶尾態(tài)，導(dǎo)致開放回路電壓的損失，并抑制光伏器件中的載流子傳遞。
能帶尾態(tài)一方面來自于所制備的膠體量子點(diǎn)的多分散性，另一方面來自于配體交換過程中的有機(jī)配體殘留以及團(tuán)聚行為。因此，如何進(jìn)一步優(yōu)化膠體量子點(diǎn)的尺寸分散性和配體交換的有效性，是提高膠體量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池性能的關(guān)鍵！
有鑒于此，Liu等人報(bào)道了一種新型液相配體交換的膠體量子點(diǎn)墨水，具有高堆積密度和平滑的能級(jí)相圖。
圖2. 醋酸銨輔助鹵化鉛進(jìn)行配體交換的示意圖
研究人員以鹵化鉛作為前驅(qū)體，少量醋酸銨用于膠體穩(wěn)定，對(duì)分散于正辛烷中的，油酸分子包裹的PbS膠體量子點(diǎn)進(jìn)行配體交換。在NH4+的輔助下，大量油酸配體被[PbX3]-陰離子替換，[PbX]+和NH4+在極性溶劑中同時(shí)起到保護(hù)PbS的作用。配體交換之后，加入反溶劑使膠體量子點(diǎn)沉淀，混合溶劑帶走了醋酸銨和多余的鹵化鉛類鹽，僅僅留下[PbX3]?/[PbX]+保護(hù)的膠體量子點(diǎn)，幾乎不殘留任何有機(jī)配體。
這種方法和之前常規(guī)的CH3NH3I和MAPbI3交換法的最大區(qū)別在于：實(shí)現(xiàn)了在溶液中去除有機(jī)陽(yáng)離子長(zhǎng)鏈配體，使膠體量子點(diǎn)表面鹵化物的量達(dá)到最大，確保活性層的沉積不需要經(jīng)過破壞性的配體交換。
和之前最佳性能的固態(tài)LBL方法和常規(guī)液相交換方法相比，這種新型的膠體量子點(diǎn)墨水的優(yōu)勢(shì)在于：降低了能帶尾態(tài)，提高了開放回路電壓，使載流子傳遞和電荷注入電子受體更加有效，確保在最佳能帶下吸收更多光。
這種液相配體交換法制備的膠體量子點(diǎn)薄膜太陽(yáng)能電池的認(rèn)證PCE達(dá)到11.28%，未經(jīng)包裹保護(hù)的器件在空氣中穩(wěn)定保存超過1000 h。高濃度鹵化物還起到更好的鈍化作用，確保更厚的活性層器件能吸收更大比例的入射太陽(yáng)光。
圖3. 堆積密度增強(qiáng)和能帶尾態(tài)更陡
圖4. 膠體量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池性能
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1. Mengxia Liu, Edward H. Sargent et al. Hybrid organic–inorganic inks flatten the energy landscape in colloidal quantum dot solids. Nature Materials 2016.
2. Xinzheng Lan, Edward H. Sargent et al. 10.6% Certified Colloidal Quantum Dot Solar Cells via Solvent-Polarity-Engineered Halide Passivation. Nano Lett. 2016, 16 , 4630–4634.
